Загрузка...Управляемые выпрямители
Управляемые выпрямители
От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряжения применяют специальные регулируемые трансформаторы (автотрансформаторы, трансформаторы с подмагничиванием сердечника постоянным током и др.), реостаты или потенциометры. Однако подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют существенный недостаток, связанный с низким к.п.д. Такие регуляторы имеют, как правило, большие массу, габариты и стоимость.
Более экономичным и удобным способом управления, который получил широкое распространение, является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление.
Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляемыми выпрямителями.
В большинстве практических случаев выпрямители средней и большой мощности должны позволять плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ud. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также для регулирования напряжения для управления частотой вращения двигателей постоянного тока, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.
Способ регулирования напряжения на нагрузке основан на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя за интервал проводимости. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых вентилей — тиристоров, в связи с чем такой выпрямитель называют управляемым.
Оптимальной формой управляющих сигналов для тиристоров является короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования подобных импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в требуемых пределах.
Однофазная схема управляемого выпрямителя изображена на рис. 82, а. Она отличается от схемы неуправляемого выпрямителя тем, что диоды V1 и V2 заменены тиристорами VC1 и VC2. Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмотки а и Ь, а управляющие электроды связаны с системой управления СУ, которая формирует синхронно с напряжением U1 управляющие импульсы Uу1 и Uу2 и позволяет изменять их фазу относительно напряжений U2а и U2Ь источника питания.
Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения U1 (рис. 82, 6), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 82, а без скобок.
При использовании в схеме неуправляемых вентилей диод V1 открылся бы в момент времени t (рис. 82, в), которое является для него моментом естественного отпирания. Тиристор же отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и отпирающего импульса на управляющем электроде. На интервале t-t1 тиристоры VC1, VC2 будут закрыты и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток трансформатора u2а и u2в: на тиристор VC1 — в прямом направлении, а на тиристор VC2 — в обратном. Напряжение на выходе выпрямителя Ud = 0.
Рисунок 82 — Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:
а — схема включения элементов;
б и в — временные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке
В момент времени t1 от системы управления СУ выпрямителя поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий импульс Uу1. В результате этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительной волны напряжения u2а и подключит нагрузку Rd на напряжение u 2 вторичной обмотки трансформатора.
Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания вентиля, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. В момент отпирания тиристора VC1 напряжение ud на нагрузке Rd скачком возрастает и далее изменяется по кривой напряжения u2а. В момент t2 напряжение u2а меняет знак, тиристор VC1 запирается, в интервале t2-t3 оба тиристора будут закрыты и ток id в нагрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладывается обратное напряжение, а к VC2 — прямое напряжение, равное u2в. В момент tз подается отпирающий импульс Uу2 на тиристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момента t4. Далее через интервал, равный углу α, вновь вступит в работу тиристор VC1 и т.д.
При работе выпрямителя на активную нагрузку кривая выпрямленного тока id полностью повторяет форму кривой напряжения ud (рис. 82, в и д). На рис. 82, е построена кривая обратного напряжения Uобр на тиристоре VC1 для случая работы схемы с углом регулирования а = 60°.
Очевидно, что если изменять угол α (сдвигать по фазе управляющие импульсы uу относительно напряжения на анодах тиристоров), то будут изменяться время работы тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение.
studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Радиолампы с управляемой сеткой применяются для регулирования напряжения выпрямителей , постоянно подключенных к аккумуляторным батареям. В случаях, когда это экономически оправдано, применяются небольшие двигатель-генераторы. [3]
Существуют две принципиально различные группы способов регулирования напряжения выпрямителей . К первой относятся все способы регулирования напряжения питания, подводимого к выпрямителю. [4]
Таким образом, в предложенных системах сеточного управления регулирование напряжения выпрямителя осуществляется только одним импульсно-фазовым регулятором, независимо от числа каналов управления. Последнее является бесспорным преимуществом рассмотренных систем, так как они не требуют специальных устройств для симметрирования напряжения, гибки в наладке и позволяют в принципе собирать из однотипных элементов любые цепи управления с необходимым утлом сдвига и симметрией фаз отпирающих импульсов. При этом структура элементов системы управления не изменяется. [5]
На рис. 4.16 приведены графические зависимости этих коэффициентов в зависимости от глубины регулирования напряжения выпрямителя . [7]
Крутизна характеристики для определенного вида электролиза при заданном диапазоне изменения тока определяет требуемый диапазон регулирования напряжения выпрямителя . Чем круче характеристика, тем шире должен быть выбран диапазон регулирования. На практике регулирование напряжения требуется для поддержания постоянного оптимального тока, определяющего качество и скорость процесса электролиза. [9]
Схема силовой цепи локомотива с ионными преобразователями в основном определяется типом схемы выпрямления ( мостовая или — нулевым выводом), схемой регулирования напряжения выпрямителя , количеством вен-гилей, способом обеспечения их параллельной работы и способом отключения тяговых двигателей и вентилей при аварийных режимах. Тяговые двигатели на локомотивах с ионными преобразователями обычно строят на полное напряжение выпрямителя и соединяют параллельно; перегруппировка их для регулирования скорости при нормальном режиме к: предусматривается. Исключение могут иметь локомотивы, предназначенные для питания от контактной сети как переменного, гак и постоянного тока. [10]
Выпрямители типа ВДГ с пологопадающими характеристиками снабжены трансформатором с нормальным магнитным рассеянием и дросселем насыщения, рабочие обмотки которого включены в плечи выпрямительного блока. Регулирование напряжения выпрямителя смешанное: ступенчатое — переключением числа витков вторичных обмоток трансформатора и плавное — изменением тока подмагничи-вания дросселя насыщения. Скорость нарастания тока в сварочной цепи регулируется секционированным дросселем. [11]
В якорной цепи двигателя установлен дроссель для сглаживания пульсаций выпрямленного тока. Для регулирования напряжения выпрямителя применена система фазового управления тиристорами, в которой используется принцип вертикального управления. [13]
В данном случае подаваемое к главному трансформатору напряжение суммируется из напряжения сети и напряжения ротора потенциал-регулятора. Регулирование достигается поворачиванием ротора; следовательно, при регулировании одновременно с изменением величины изменяется и фаза регулируемого напряжения, что необходимо учесть, если выпрямитель снабжен сеточным регулированием, так как сеточные напряжения должны быть синфазны с напряжением главных анодов. Потенциал-регуляторы применяются для регулирования напряжения выпрямителей сравнительно небольшой мощности , так как при значительной мощности потенциал-регулятор потребляет значительную реактивную мощность. [14]
Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы
Источники питания были и остаются важнейшей и незаменимой составляющей любой радиоэлектронной схемы. Для обеспечения схем необходимыми напряжениями используют либо автономные источники питания — батареи, аккумуляторы, либо, при питании радиоаппаратуры от сети переменного тока, — сетевые источники. Для того, чтобы понизить напряжение сети с 220 В до приемлемых для питания транзисторных схем значений и обеспечить надежную защиту пользователя от поражения электрическим током, используют понижающий трансформатор (рис. 35.1, 35.16). В исключительно редких случаях используют бестрансформаторные питающие устройства, однако в этом случае все управляющие элементы устройства (ручки, выключатели и пр.) и корпус должны быть надежно изолированы от сети. При пользовании такими устройствами необходимо строжайшее соблюдение правил техники безопасности!
Ниже будут рассмотрены основные варианты схем питания радиоэлектронной аппаратуры.
Простейший выпрямитель — преобразователь переменного тока в постоянный — показан на рис. 35.1, 35.6. К вторичной (понижающей) обмотке трансформатора подключен один полупроводниковый диод VD1. Этот диод пропускает только одну полуволну переменного напряжения (однополупериодное выпрямление), поэтому для сглаживания пульсаций тока на выходе выпрямителя необходимо включать электролитический конденсатор С1 большой емкости. Параллельно ему подключается сопротивление нагрузки. Недостатки такого выпрямителя очевидны: повышенные пульсации выпрямленного напряжения, невысокий КПД. Величина пульсаций будет тем выше, чем меньше емкость сглаживающего пульсации напряжения конденсатора С1 и чем меньше величина сопротивления нагрузки. Величина выходного напряжения такого выпрямителя при работе без нагрузки составляет 1 ,41xUab.
На рис. 35.2 показана схема простейшего выпрямителя — формирователя двуполярного выходного напряжения. Коэффициент полезного действия такого выпрямителя выше, а все приводимые ранее рассуждения полностью распространяются и на эту схему.
Мостовая схема выпрямителя содержит четыре диода и представлена на рис. 35.3. Такая схема подключается к источнику переменного тока, например, к точкам А и В разделительного трансформатора (рис. 35.1). Выпрямитель имеет более высокий КПД, токи в ветвях моста распределяются равномерно. Недостатком схемы являются удвоенные потери на последовательно включенных диодах выпрямителя (за счет «прямого» напряжения). Выходное напряжение мостовой схемы выпрямителя при работе без нагрузки также составляет 1,41 xUAB.
Для выпрямления и умножения выходного напряжения применяют схемы, показанные на рис. 35.4 и 35.5. Часто подобные схемы используют в преобразователях напряжения, в том числе бестрансформаторных, а также в схемах получения высокого напряжения (до десятков киловольт) в телевизионных приемниках, озонаторах, уловителях пыли.
В большинстве случаев выпрямленное напряжение надлежит тщательным образом отфильтровать от пульсаций сети переменного тока. При плохой фильтрации в динамиках будет слышна не радующая душу музыка или речь, а низкочастотный гул или рокот, так называемый «фон» переменного тока. Чем выше качество питающего напряжения, тем лучше будет работать радиоаппаратура. Нефильтрованное питание допустимо использовать лишь для электродвигателей постоянного тока, осветительных и нагревательных приборов.
Для сглаживания выходного напряжения выпрямителей предназначены LC- и RC-фильтры. Простейший из них (L=0, R=0) — емкостный — показан на рис. 35.1 и 35.6. Схема эта, действительно, крайне проста. Однако увеличивать до бесконечности емкость фильтрующего конденсатора невозможно: растут габариты и стоимость конденсатора, снижается надежность устройства в целом. Существует опасность того, что в момент включения устройства в сеть произойдет повреждение диода VD1 либо обмотки трансформатора: ведь незаряженный конденсатор представляет в момент включения короткозамкнутыи элемент. Через обмотку трансформатора и диод в этот момент протекает ток короткого замыкания, многократно превышающий допустимые значения и вызывающий их повреждение.
Для уменьшения переменной составляющей на выходе выпрямителя используют индуктивные (дроссельные) и резистив-но-емкостные Г- и П-образные фильтры (рис. 35.7 — 35.9), а также их последовательное соединение. Напомним, если активное сопротивление (резистор) представляет собой одинаковое сопротивление как для постоянного, так и для переменного тока, то конденсатор для постоянного тока является разрывом цепи, а для переменного тока, в идеале, служит коротким замыканием (см. также главу 3). В свою очередь, индуктивность (дроссель), также в идеале, представляет собой бесконечно малое сопротивление постоянному току и бесконечно большое сопротивление переменному току. Следовательно, использование в качестве элемента фильтра дросселей вместо резисторов предпочтительнее. Однако дроссели имеют значительные габариты, массу и цену, являются более дефицитными и менее надежными элементами по сравнению с обычными резисторами.
В радиоаппаратуре используют и транзисторные фильтры (рис. 35.10). Радиолюбителю предлагается самостоятельно испытать и сравнить различные виды выпрямителей и фильтров при разных параметрах входящих в них элементов. Для контроля «качества» выходного напряжения может быть использован УНЧ или осциллограф, на вход которых через разделительный конденсатор подается выпрямленное напряжение. Питание усилитель должен получать от батарей (аккумулятора) либо от иного источника питания с хорошей фильтрацией выходного напряжения. В качестве простейшего тестера качества фильтрации можно использовать и телефонный капсюль, также подключаемый к выходу выпрямителя или фильтра через разделительный конденсатор.
Далее будут рассмотрены простые стабилизаторы тока (рис. 35.11 — 35.15) и напряжения (рис. 35.16 — 35.20). Схемы стабилизации тока зачастую используют в генераторах импульсов для заряда постоянным током времязадающих конденсаторов, а также в измерительной технике, например, при измерении сопротивлений. На рис. 35.11 и 35.12 показаны схемы стабилизаторов тока [МК 5/86-XVI], При увеличении напряжения на таком двухполюснике (рис. 35.11) происходит самоограничение тока через него. Величину резисторов R1 и R2 можно определить как:
На рис. 35.12 и 35.13 представлены другие схемы ограничения и стабилизации тока. При возрастании тока через датчик тока R2 (рис. 35.12) или R1 и включенный ему параллельно потенциометр R3 (рис. 35.13) [F 1/76-21] уменьшается смещение на базе транзистора VT2 (рис. 35.12) или VT1 (рис. 35.13), соответственно. Транзисторы плавно, пропорционально протекающему через резисторы току, запираются, и ток стабилизируется. В определенных пределах ток ограничения (рис. 35.13) плавно регулируется потенциометром R3.
На рис. 35.14 показана схема стабилизатора тока на основе полевого транзистора. При увеличении тока через резистор R1 меняется смещение на управляющем (3 — И) переходе транзистора, он плавно запирается, ограничивая ток нагрузки.
Стабилизатор тока на основе микросхемы, в состав которой входит несколько десятков элементов (рис. 35.15), может обеспечить широкий диапазон токов нагрузки [Дж. Уитсон]. Популярная микросхема стабилизатора напряжения может стабилизировать еще и ток. Величина стабилизируемого тока в нагрузке рассчиты вается следующим образом: lH=(UBb|X/R1)+10 мА, где lH — в мА 11вых — в В; R1 — в кОм.
На рис. 35.16 представлена схема несложного стабилизированного источника питания. Он содержит понижающий трансформатор, мостовой выпрямитель, конденсаторный фильтр и полупроводниковый стабилизатор напряжения. Схема стабилизатора напряжения позволяет плавно регулировать выходное напряжение в пределах от 0 до 12 В и защищена от коротких замыканий на выходе. Для питания низковольтного паяльника, а также для экспериментов с переменным электрическим током предусмотрена дополнительная обмотка трансформатора. Имеется индикация постоянного напряжения (светодиод HL2) и переменного (светодиод HL1). Для включения всего устройства используется тумблер SA1, а паяльника — SA2. Нагрузку отключает SA3. Для защиты цепей переменного тока от перегрузок предусмотрены предохранители FU1 и FU2. На ручке регулятора выходного напряжения (потенциометр R4) нанесены значения выходных напряжений.
На рис. 35.17 показан фрагмент схемы модифицированного стабилизатора (рис. 35.16) с индикацией короткого замыкания в нагрузке. В нормальном режиме светится зеленый светодиод, при замыкании нагрузки — красный.
Очень простой и высококачественный стабилизатор на специализированной микросхеме серии К142ЕН изображен на рис. 35.18. Транзисторные стабилизаторы показаны на рис. 35.19 и 35.20 [Р 4/81-61]. При значительных токах нагрузки транзистор VT4 (рис. 35.20) следует закрепить на теплоотводящей пластине из цветного металла.
Управляемые выпрямители
От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряжения применяют специальные регулируемые трансформаторы (автотрансформаторы, трансформаторы с подмагничиванием сердечника постоянным током и др.), реостаты или потенциометры. Однако подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют существенный недостаток, связанный с низким к.п.д. Такие регуляторы имеют, как правило, большие массу, габариты и стоимость.
Более экономичным и удобным способом управления, который получил широкое распространение, является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление.
Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения (тока) с управлением выпрямленным напряжением (током), называют управляемыми выпрямителями.
В большинстве практических случаев выпрямители средней и большой мощности должны позволять плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения Ud. Это обусловливается необходимостью стабилизации напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети или тока нагрузки, а также для регулирования напряжения для управления частотой вращения двигателей постоянного тока, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.
Способ регулирования напряжения на нагрузке основан на управлении во времени моментом отпирания вентилей выпрямителя за интервал проводимости. Он базируется на использовании в схеме выпрямителя управляемых вентилей — тиристоров, в связи с чем такой выпрямитель называют управляемым.
Оптимальной формой управляющих сигналов для тиристоров является короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования подобных импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в требуемых пределах.
Однофазная схема управляемого выпрямителя изображена на рис. 82, а. Она отличается от схемы неуправляемого выпрямителя тем, что диоды V1 и V2 заменены тиристорами VC1 и VC2. Аноды тиристоров присоединены к выводам вторичной обмотки а и Ь, а управляющие электроды связаны с системой управления СУ, которая формирует синхронно с напряжением U1 управляющие импульсы Uу1 и Uу2 и позволяет изменять их фазу относительно напряжений U2а и U2Ь источника питания.
Пусть на входе выпрямителя действует положительная полуволна напряжения U1 (рис. 82, 6), чему соответствуют полярности напряжений на обмотках трансформатора, указанные на рис. 82, а без скобок.
При использовании в схеме неуправляемых вентилей диод V1 открылся бы в момент времени t (рис. 82, в), которое является для него моментом естественного отпирания. Тиристор же отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и отпирающего импульса на управляющем электроде. На интервале t-t1 тиристоры VC1, VC2 будут закрыты и к ним прикладывается напряжение вторичных обмоток трансформатора u2а и u2в: на тиристор VC1 — в прямом направлении, а на тиристор VC2 — в обратном. Напряжение на выходе выпрямителя Ud = 0.
Рисунок 82 — Однофазный управляемый выпрямитель с нулевой точкой:
а — схема включения элементов;
б и в — временные диаграммы напряжений и токов при активной нагрузке
В момент времени t1 от системы управления СУ выпрямителя поступает на управляющий электрод тиристора VC1 отпирающий импульс Uу1. В результате этот вентиль откроется с некоторой задержкой по отношению к началу положительной волны напряжения u2а и подключит нагрузку Rd на напряжение u 2 вторичной обмотки трансформатора.
Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания вентиля, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. В момент отпирания тиристора VC1 напряжение ud на нагрузке Rd скачком возрастает и далее изменяется по кривой напряжения u2а. В момент t2 напряжение u2а меняет знак, тиристор VC1 запирается, в интервале t2-t3 оба тиристора будут закрыты и ток id в нагрузке не протекает. К тиристору VC1 прикладывается обратное напряжение, а к VC2 — прямое напряжение, равное u2в. В момент tз подается отпирающий импульс Uу2 на тиристор VC2, он вступает в работу и остается открытым до момента t4. Далее через интервал, равный углу α, вновь вступит в работу тиристор VC1 и т.д.
При работе выпрямителя на активную нагрузку кривая выпрямленного тока id полностью повторяет форму кривой напряжения ud (рис. 82, в и д). На рис. 82, е построена кривая обратного напряжения Uобр на тиристоре VC1 для случая работы схемы с углом регулирования а = 60°.
Очевидно, что если изменять угол α (сдвигать по фазе управляющие импульсы uу относительно напряжения на анодах тиристоров), то будут изменяться время работы тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение.
